Analisi dell'olio in acqua e VOC nell'ambito della protezione ambientale

Introduzione

L'ambiente e la sua protezione sono oggigiorno una delle questioni principali a livello globale. Le imprese che vogliono essere associate a condotte virtuose nei confronti dell'ambiente, devono riconoscere l'importanza del proteggere l'intero ecosistema dalla contaminazione dell'olio in acqua, dei VOC e di tutti i vari inquinanti che possono trovare origine nelle proprie attività produttive.

Procedimenti giudiziari per l'inquinamento dell'ambiente, inoltre, possono comportare non solo multe salate, ma anche danni irreparabili all'immagine pubblica di un'azienda.

A seguito di questa maggiore consapevolezza, dei procedimenti giudiziari da parte di agenzie per la protezione dell'ambiente, e dell’interesse dei media il numero dei casi di inquinamento riportati sono in aumento. Anche le società di servizi idrici stanno riconoscendo l'importanza del problema e investendo in apparecchiature di rilevamento e monitoraggio, non solo per il prelievo di acqua pulita ma anche per lo scarico delle acque reflue dagli scarichi pluviali.

Società di alto profilo sono finite innanzi a tribunali, con l’erogazione di multe salate e l’obbligo di intraprendere costose operazioni di bonifica. In alcuni di questi casi che riguardano inquinamento da idrocarburi, un allarme tempestivo con tecnologie di rilevazione dei VOC avrebbe potuto prevenire o ridurre significativamente sia l'impatto sull'ambiente che i costi di bonifica. I sistemi di rilevamento dei VOC disponibili possono essere installati con semplicità, manutenuti facilmente e hanno un costo di acquisto relativamente basso.

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VOC

I Composti organici volatili (COV o VOC in inglese) si trovano, in basse concentrazioni, naturalmente nell'atmosfera. Gli esseri umani, le piante e gli animali li espirano naturalmente, tuttavia al di sopra di determinati livelli possono essere dannosi per la salute, soprattutto quando sono di origine antropica.

Di seguito sono riportati alcuni dei VOC più comuni e le loro fonti industriali. Il termine "VOC" in realtà copre una gamma molto ampia di composti organici. Nella tabella in appendice è possibile trovare un elenco di VOC e dei loro valori limite.

VOC e sorgenti industriali più comuni

VOC Fonte industriale
BTEX (benzene, toluene, etil benzene, xilene), esano, cicloesano e trimetilbenzene. Benzina, diesel, olio combustibile, diluenti per vernici, vernici a base di olio, insetticidi, acqua ragia e lucidi per mobili
Acetone, alcool etilico, alcool isopropilico, metacrilati, acetato di etile Smalti e solventi, colonie, profumi, alcool, spray per capelli
Tetracloretene (PERC) e tricloroetene (TCE) Liquidi per lavaggio a secco, smacchiatori, detergenti per tessuti/pelli
d-limonene (aroma di limone), a-pinene (aroma di pino), isoprene Detergenti a base di olio di limoni (arancio) o olio di pino, solventi e alcuni prodotti per mascherare gli odori
Tetraidrofurano, cicloesano, metiletilchetone (MEK), toluene, acetone, esano, 1,1,1-tricloroetano, metil-iso-butil chetone (MIBK) Colla e primer per PVC , adesivi vari, colla istantanea
I prodotti più vecchi possono contenere tetracloruro di carbonio, cloruro di metilene e toluene Sverniciatori, prodotti per rimuovere gli adesivi (colla)
Cloruro di metilene, PERC, TCE, toluene, xileni, metil etil chetone, 1,1,1-tricloroetano Sgrassatori, olii penetranti aerosol, detergenti per freni, detergenti per carburatori, solventi commerciali, detergenti per elettronica, lubrificanti spray
1,4-diclorobenzene, naftalene Naftalina in palline o scaglie, deodoranti
Freon (triclorofluorometano, diclorodifluorometano) Refrigerante per condizionatori d'aria, congelatori, frigoriferi, deumidificatori
Eptano, butano, pentano Prodotti spray aerosol per alcune vernici, cosmetici, prodotti per il mercato automotive, trattamenti in pelle, pesticidi
Formaldeide Mobili imbottiti, tappeti, compensato, truciolato

I costi della bonifica

Guasti ai macchinari, perdite da serbatoi, atti vandalici, fuoriuscite accidentali o scarichi abusivi sono solo alcuni dei modi in cui idrocarburi e VOC possono contaminare l'ambiente.

Con il graduale aumento dei controlli da parte degli enti per la tutela dell'ambiente vi è anche una maggiore capacità di portare i casi in tribunale. Inoltre, le questioni ambientali sono sottoposte ad uno scrutinio pubblico e politico crescenti, portando a sanzioni più severe e pubblicità negativa per le aziende che causano danni ambientali.

Di seguito sono riportati alcuni esempi in cui si sono verificati sversamenti e non vi erano in atto procedure adeguate per contenere o rilevare tali sversamenti. Ciò ha portato l'Agenzia per l'ambiente a intentare azioni legali contro le imprese coinvolte e l'emissione di sanzioni e ordinanze per bonificare la contaminazione.

Il costo di uno sversamento

Durante un periodo di circa 4 settimane nel luglio 2005 circa 653 tonnellate di cherosene fuoriuscirono da un piccolo foro alla base di un serbatoio in una struttura di stoccaggio a Waterston, Milford Haven.

L'inquinamento conseguente ha portato alla distruzione dell'habitat del vicino torrente Hazelbeach e alla chiusura della spiaggia nel mese di agosto 2005.

La società è stata successivamente perseguita dall'agenzia per l'ambiente del Galles e dichiarata colpevole; la società è stata multata per £29,900 sterline e condannata a pagare spese per £39,801 sterline. Inoltre, la società ha stimato che l'operazione di bonifica costerà circa 3 milioni di sterline.

Il costo di un guasto

Una società di distribuzione di carburante ha ammesso di aver inquinato un affluente del fiume Clyst con 22,000 litri di gasolio rosso.

La perdita è stata rintracciata dall'azienda dopo che sono state individuate quantità significative di idrocarburi nel corso d'acqua, tuttavia i controlli iniziali sui sistemi informatici non rilevarono perdite. Successivamente, scavi e controlli sulle perdite di pressione hanno rivelato una perdita in una tubazione di alimentazione che porta a una stazione per l'erogazione del carburante.

I magistrati hanno riconosciuto il lavoro svolto dall'azienda per bonificare l'ambiente e l’hanno sanzionata in misura ridotta.

Più recentemente (2019) l'ente per l'ambiente dell'Irlanda del Nord ha scoperto uno sversamento di diesel rosso nel fiume Ballyclare da un canale sotterraneo e questo ha portato all'adozione di misure pratiche ma anche legali per risolvere il problema e punire il colpevole.

Il costo dell'errore umano

Un'impresa di trasporti di Londra è stata condannata a pagare £6,867 sterline in multe e spese processuali dopo che un captatore di olio è straripato, inquinando il Tamigi con olio di scarico nero e causando danni significativi alla fauna selvatica locale.

La società ha ammesso in tribunale di non aver svuotato il captatore, impedendogli di funzionare correttamente. Circa 40 cigni sono stati colpiti e solo alcuni sono stati salvati nel Santuario dei cigni a Shepperton.

Il costo del vandalismo

L'olio proveniente da un sito di riparazione di carrelli elevatori è finito in uno scarico vicino a Spalding, causando la morte di cigni e di altri animali.

La compagnia è stata multata per £8,000 e condannata a pagare spese aggiuntive all'Agenzia per l'ambiente per un importo di £4,000 dalla Corte dei magistrati di Spalding dopo essersi dichiarata colpevole di aver inquinato un affluente del fiume Hammond Beck.

Ai funzionari dell'Agenzia per l'ambiente è stato dichiarato che un serbatoio dell'olio era stato oggetto di atti di vandalismo e che una tubazione era stata danneggiata.

L'azienda non si era accorta che vi era uno scarico delle acque superficiali sotto l'area in cui si trovava il serbatoio e quindi non aveva comunicato all'Agenzia la fuoriuscita di olio. Di conseguenza l'impatto ambientale avrebbe potuto essere ridotto se ci si fosse resi conto prima che l'olio era entrato nel drenaggio delle acque superficiali del sito.

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Approcci e problemi di rilevamento

Esistono vari metodi di misurazione e rilevazione dei VOC. I più accurati, ma più anche più lenti e costosi, sono i metodi di analisi da laboratorio: gascromatografia, spettrometria di massa e rivelazione a ionizzazione di fiamma (FID), i cui costi possono arrivare a $100,000 dollari e più.

Esistono metodi ottici basati su laser per il rilevamento dell'olio nell'acqua, ma questi richiedono che l'olio sia in una forma di emulsione o che abbia formato una chiazza sulla superficie (olio sull'acqua/"oil on water" in inglese). Questi metodi possono rilevare solo concentrazioni relativamente elevate di olio, in genere 1 ppm per i casi olio in acqua e molto più elevato per i casi di olio sull’acqua.

Un rilevatore ottico di olio su acqua misura il cambiamento di riflettanza della superficie - l'olio può riflettere la luce meglio dell'acqua. Il sistema richiede una superficie immobile, libera da polvere o foglie morte e lontana dalla luce solare diretta. I rilevatori d'olio in acqua utilizzano tecniche di dispersione della luce o fluorescenza e possono misurare concentrazioni fino a 1 ppm. Questa tecnica offre un monitoraggio in linea 24/7, ma è suscettibile di risultati errati se l'acqua ha un livello di torbidità elevato. I rivelatori necessitano inoltre di manutenzione e pulizia regolari della camera di campionamento, poiché le particelle possono ostruire il sistema.

Per fortuna esistono metodi di rilevazione VOC più economici, veloci e portatili, ad esempio i rivelatori di fotoionizzazione (PID) e la tecnologia del naso elettronico (E-NOSE).

Un rivelatore di fotoionizzazione (PID) utilizza una lampada a raggi ultravioletti (UV) per irradiare il gas in ingresso. L'energia UV ionizza le molecole, producendo una corrente ionica che viene quindi misurata. I PID sono rivelatori a banda larga e non sono selettivi, in quanto ionizzano tutte le molecole che passano attraverso il rivelatore, che hanno un'energia di ionizzazione simile alla lampada UV utilizzata. Il vantaggio dei PID è che possono fornire una misurazione rapida in loco delle concentrazioni di VOC.

Alcuni degli svantaggi dei PID sono:

  • vapore acqueo, condensa, temperatura e raffreddamento possono limitare le loro prestazioni al massimo a 0,1 ppm (in condizioni controllate), più comunemente a 1 ppm;
  • i PID richiedono manutenzione regolare e taratura della lampada UV, del driver e del circuito di rilevamento;
  • la cella necessita inoltre di una pulizia regolare poiché polvere e microfibre possono aumentare la condensa;
  • la procedura di calibrazione è costosa e complicata e utilizza gas isobutilene compresso a 10 ppm;

La tecnologia E-NOSE (naso elettronico) utilizza un materiale semiconduttore (ossido di metallo) che viene applicato a una sostanza non conduttiva (substrato) tra due elettrodi. Il substrato viene riscaldato a una temperatura elevata alla quale la presenza del gas può causare una variazione reversibile della conduttività del materiale semiconduttore.

Il funzionamento può essere riassunto in tre passi:

  • quando non è presente gas, l'ossigeno viene ionizzato sulla superficie e il sensore diventa semi-conduttivo;
  • quando sono presenti molecole del gas di interesse, questi sostituiscono gli ioni ossigeno, diminuendo la resistenza tra gli elettrodi;
  • questa variazione viene misurata elettricamente ed è proporzionale alla concentrazione del gas misurato.

Ciò rende E-NOSE una tecnologia di rilevamento di VOC a banda larga. Un esempio di questo tipo di tecnologia è rappresentata dall' analizzatore di olio in acqua della Multisensor Systems.

Questo metodo presenta i vantaggi di:

  1. alta sensibilità: il monitor è in grado di rilevare livelli di concentrazione di VOC fino a 1 ppb (parte per miliardo).;
  2. i sensori hanno una lunga durata e non richiedono pulizia;
  3. i sensori effettuano uno zero automatico prima di ogni misurazione del campione per tenere conto della deriva del sensore e degli effetti dell'invecchiamento; questo viene fatto facendo passare aria secca pulita e filtrata sui sensori ad ogni ciclo di campionamento;
  4. vi sono 2 materiali filtranti utilizzati nell'analizzatore, un filtro antipolvere e uno a carbone attivo. Questi sono gli unici materiali di consumo utilizzati nei sistemi e devono essere sostituiti solo ogni 6 mesi(e alcune versioni dello strumento non hanno bisogno neanche di alcuni di questi);
  5. grazie alla robustezza della tecnologia dei sensori, gli analizzatori possono essere utilizzati come un sistema di monitoraggio in linea che offre rilevamento e misurazione 24/7.

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In sintesi

I PID forniscono una tecnologia di rilevamento e misurazione dei VOC in situ e rapida, ma hanno una sensibilità inferiore e sono più costosi rispetto all'E-NOSE; richiedono inoltre una maggiore manutenzione, una taratura più frequente e sono sensibili alle variazioni di umidità.

L'E-NOSE è una soluzione conveniente, robusta e ad alta sensibilità con bassi costi di manutenzione e possibilità di monitoraggio 24/7. L'unico materiale di consumo utilizzato è il materiale filtrante, che deve essere sostituito solo una volta ogni 6 mesi, insieme a un semplice controllo di taratura.

L'analizzatore di olio in acqua è stato ora ampiamente utilizzato per il monitoraggio dei punti di captazione di acqua potabile, ma anche processi industriali e scarichi.

Conclusione

Sono disponibili diverse tecnologie per la rilevazione dei VOC negli scarichi industriali. È stato dimostrato come il metodo più robusto, sensibile ed efficace sia utilizzare dispositivi E-NOSE con semiconduttori sensibili ai VOC, a causa della loro vita utile, dei requisiti di taratura ridotti e della manutenzione semplificata.

Sono stati presentati casi di studio per dimostrare quanto facilmente un tale strumento possa essere implementato e integrato nel sistema di controlli di emergenza/sicurezza esistente, all'interno di un moderno complesso industriale, tutelando in tal modo sia la società che lo utilizza che le agenzie che proteggono l'ambiente.

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Tabella: valore limite di soglia

Qui puoi vedere alcuni dei Valore limite di soglia (VLS) per alcuni dei VOC più comuni. Il VLS di una sostanza chimica è un livello al quale si ritiene che un lavoratore possa essere esposto, giorno dopo giorno per tutta la vita lavorativa, senza effetti negativi sulla salute.

VOC TLV Punto di ebollizione °C Pressione di vapore a 20 °C
Benzene 0,5 ppm 80 10 kPa
Toluene 50 ppm 111 2.3 kPa
Etilbenzene 100 ppm 136 0.9 kPa
Xilene 100 ppm 144 0.91 kPa
Cicloesano 100 ppm 81 10.3 kPa
Benzina 300 ppm 20-200 220 kPa (butano)
Acetone 500 ppm 56 24 kPa
Alcol isopropilico 200 ppm 83 4.4 kPa
Tricloroetene 50 ppm 87 7.8 kPa
Tetraidrofurano 50 ppm 66 19.3 kPa
Metil etil chetone 200 ppm 80 10.5 kPa
Cloruro di metilene 50 ppm 40 47.3 kPa
1,1,1-tricloroetano 350 ppm 74 13.3 kPa
Formaldeide 0.3 ppm -20 3.46 kPa a 25 °C
Acqua n / a 100 2.3 kPa